JP2021166151A - Fuel cell system - Google Patents
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Abstract
Description
本開示は、燃料電池システムに関する。 The present disclosure relates to a fuel cell system.
燃料電池は、複数の単セルを積層した燃料電池スタック（以下、スタックと称する場合がある）に、燃料ガスとしての水素（Ｈ２）と酸化剤ガスとしての酸素（Ｏ２）との電気化学反応によって電気エネルギーを取り出す発電装置である。なお、以下では、燃料ガスや酸化剤ガスを、特に区別することなく単に「反応ガス」あるいは「ガス」と呼ぶ場合もある。
この燃料電池の単セルは、通常、膜電極接合体（ＭＥＡ：Ｍｅｍｂｒａｎｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ Ａｓｓｅｍｂｌｙ）と、必要に応じて当該膜電極接合体の両面を挟持する２枚のセパレータにより構成される。
膜電極接合体は、プロトン（Ｈ＋）伝導性を有する固体高分子型電解質膜（以下、単に「電解質膜」とも呼ぶ）の両面に、それぞれ、触媒層及びガス拡散層が順に形成された構造を有している。
セパレータは、通常、ガス拡散層に接する面に反応ガスの流路としての溝が形成された構造を有している。なお、このセパレータは発電した電気の集電体としても機能する。
燃料電池の燃料極（アノード）では、流路及びガス拡散層から供給される水素が触媒層の触媒作用によりプロトン化し、電解質膜を通過して酸化剤極（カソード）へと移動する。同時に生成した電子は、外部回路を通って仕事をし、カソードへと移動する。カソードに供給される酸素は、カソード上でプロトンおよび電子と反応し、水を生成する。
生成した水は、電解質膜に適度な湿度を与え、余剰な水はガス拡散層を透過して、流路を通って系外へと排出される。
A fuel cell is an electrochemical composition of hydrogen (H 2 ) as a fuel gas and oxygen (O 2 ) as an oxidizing agent gas in a fuel cell stack (hereinafter, may be referred to as a stack) in which a plurality of single cells are stacked. It is a power generation device that extracts electrical energy by reaction. In the following, the fuel gas and the oxidant gas may be simply referred to as "reaction gas" or "gas" without particular distinction.
A single cell of this fuel cell is usually composed of a membrane electrode assembly (MEA: Membrane Electrode Assembly) and, if necessary, two separators sandwiching both sides of the membrane electrode assembly.
The membrane electrode assembly has a structure in which a catalyst layer and a gas diffusion layer are sequentially formed on both sides of a solid polymer electrolyte membrane having proton (H +) conductivity (hereinafter, also simply referred to as “electrolyte membrane”), respectively. have.
The separator usually has a structure in which a groove as a flow path of the reaction gas is formed on the surface in contact with the gas diffusion layer. This separator also functions as a current collector for the generated electricity.
At the fuel electrode (anode) of the fuel cell, hydrogen supplied from the flow path and the gas diffusion layer is protonated by the catalytic action of the catalyst layer, passes through the electrolyte membrane, and moves to the oxidizing agent electrode (cathode). The electrons generated at the same time work through an external circuit and move to the cathode. Oxygen supplied to the cathode reacts with protons and electrons on the cathode to produce water.
The generated water gives an appropriate humidity to the electrolyte membrane, and the excess water permeates the gas diffusion layer and is discharged to the outside of the system through the flow path.
低温の燃料ガスが燃料電池に供給されることを抑制し、燃料電池の発電性能を良好に維持する技術が検討されている。
例えば特許文献１では、タンク温度がある閾値より低下すると、タンク保護も兼ねて主止弁を遮断する燃料電池システムの制御方法が開示されている。
A technique for suppressing the supply of low-temperature fuel gas to a fuel cell and maintaining good power generation performance of the fuel cell is being studied.
For example, Patent Document 1 discloses a control method of a fuel cell system that shuts off the main check valve while also protecting the tank when the tank temperature drops below a certain threshold value.
また、特許文献２では、燃料電池システムの燃料ガス供給流路に設けられるインジェクタ内の弁の低温時等における動作不良を回避する燃料電池システムの制御方法が開示されている。 Further, Patent Document 2 discloses a control method of a fuel cell system for avoiding malfunction of a valve in an injector provided in a fuel gas supply flow path of the fuel cell system at a low temperature or the like.
上記特許文献１に記載の燃料電池システムでは、主止弁を遮断するタンク温度の閾値が低いと、その閾値となる温度より高い温度では、エジェクタ出口の結露水の発生量増大を防ぐことが困難である。
燃料ガスの温度を上げる方法として、例えば、燃料電池スタック内外を循環して燃料電池スタックを冷却する冷却水を加熱用媒体として燃料ガスと熱交換することによって燃料ガスの温度を上げる方法が考えられる。しかし、冷却水の温度が十分高くない場合には燃料ガスの温度を十分に上げることができないという問題がある。
また、例えば、燃料電池スタックを高負荷条件で運転して高圧の燃料ガスが急激に消費される場合、燃料タンク等の燃料ガス供給部から放出される燃料ガスが断熱膨張によって冷やされて燃料ガスの温度が相当に低下する。そして、低温の燃料ガスがエジェクタに供給され、当該燃料ガスがエジェクタ内で循環流路からの水分を含んだ循環ガスと合流すると、当該エジェクタ内及びエジェクタ出口等で結露水が発生するおそれがある。そして、その結露水が燃料電池スタックに入ると、燃料電池スタックの発電性能が低下するおそれがある。
In the fuel cell system described in Patent Document 1, if the threshold value of the tank temperature for shutting off the main stop valve is low, it is difficult to prevent an increase in the amount of dew condensation water generated at the ejector outlet at a temperature higher than the threshold value. Is.
As a method of raising the temperature of the fuel gas, for example, a method of raising the temperature of the fuel gas by exchanging heat with the fuel gas using cooling water that circulates inside and outside the fuel cell stack to cool the fuel cell stack as a heating medium can be considered. .. However, if the temperature of the cooling water is not sufficiently high, there is a problem that the temperature of the fuel gas cannot be raised sufficiently.
Further, for example, when the fuel cell stack is operated under a high load condition and the high-pressure fuel gas is rapidly consumed, the fuel gas released from the fuel gas supply unit such as the fuel tank is cooled by the adiabatic expansion and the fuel gas. The temperature of the fuel drops considerably. Then, when low-temperature fuel gas is supplied to the ejector and the fuel gas merges with the circulating gas containing water from the circulation flow path in the ejector, dew condensation water may be generated in the ejector and at the ejector outlet. .. Then, if the condensed water enters the fuel cell stack, the power generation performance of the fuel cell stack may deteriorate.
本開示は、上記実情に鑑みてなされたものであり、燃料ガス供給部から供給される燃料ガスの温度が低温である場合であっても、結露水の発生を抑制し、当該結露水が燃料電池スタックへ流入することを抑制することができる燃料電池システムを提供することを主目的とする。 The present disclosure has been made in view of the above circumstances, and even when the temperature of the fuel gas supplied from the fuel gas supply unit is low, the generation of dew condensation water is suppressed, and the dew condensation water is used as fuel. The main purpose is to provide a fuel cell system capable of suppressing the inflow into the battery stack.
本開示においては、燃料電池スタックと、
エジェクタ集合部と、
前記エジェクタ集合部に燃料ガスを供給する燃料ガス供給部と、
前記燃料電池スタックから排出された燃料オフガスを回収し、循環ガスとして前記エジェクタ集合部に戻す循環流路と、
前記エジェクタ集合部と前記燃料電池スタックを接続し、前記燃料ガスと前記循環ガスとを含む混合ガスの前記エジェクタ集合部から前記燃料電池スタックの各燃料極への供給を可能にする混合ガス供給流路と、
前記燃料ガスの温度を検出する温度検出部と、
制御部と、を有し、
前記エジェクタ集合部は、第１の混合ガスを前記燃料電池スタックの各燃料極に供給する第１のエジェクタと、当該第１の混合ガスよりも前記循環ガスの含有割合が少ない第２の混合ガスを前記燃料電池スタックの各燃料極に供給する第２のエジェクタの少なくとも２つのエジェクタを並列に有し、
前記制御部は、前記温度検出部が検出した前記燃料ガスの温度が所定の閾値を下回る場合に、前記エジェクタ集合部中の各エジェクタの使用比率の合計を１００％としたとき、前記第２のエジェクタの使用比率を前記第１のエジェクタの使用比率よりも大きくすることを特徴とする燃料電池システムを提供する。
In this disclosure, the fuel cell stack and
Ejector assembly and
A fuel gas supply unit that supplies fuel gas to the ejector assembly unit and
A circulation flow path that collects the fuel off gas discharged from the fuel cell stack and returns it as a circulating gas to the ejector collecting portion.
A mixed gas supply flow that connects the ejector collecting portion and the fuel cell stack and enables supply of a mixed gas containing the fuel gas and the circulating gas from the ejector collecting portion to each fuel electrode of the fuel cell stack. Road and
A temperature detection unit that detects the temperature of the fuel gas,
Has a control unit,
The ejector collecting portion includes a first ejector that supplies a first mixed gas to each fuel electrode of the fuel cell stack, and a second mixed gas that contains a smaller amount of the circulating gas than the first mixed gas. Has at least two ejectors of the second ejector in parallel to supply each fuel electrode of the fuel cell stack.
When the temperature of the fuel gas detected by the temperature detection unit falls below a predetermined threshold value, the control unit uses the second ejector when the total usage ratio of each ejector in the ejector assembly unit is 100%. Provided is a fuel cell system characterized in that the usage ratio of the ejector is made larger than the usage ratio of the first ejector.
本開示の燃料電池システムにおいて、前記制御部は、前記温度検出部が検出した前記燃料ガスの温度が所定の前記閾値以上である場合に、前記エジェクタ集合部中の各エジェクタの使用比率の合計を１００％としたとき、前記第１のエジェクタの使用比率を前記第２のエジェクタの使用比率よりも大きくしてもよい。 In the fuel cell system of the present disclosure, the control unit calculates the total usage ratio of each ejector in the ejector assembly unit when the temperature of the fuel gas detected by the temperature detection unit is equal to or higher than a predetermined threshold value. When it is set to 100%, the usage ratio of the first ejector may be larger than the usage ratio of the second ejector.
本開示の燃料電池システムにおいて、前記制御部は、前記温度検出部が検出した前記燃料ガスの温度が所定の前記閾値を下回る場合に、前記第１のエジェクタから前記第２のエジェクタに切り替えて、前記第２のエジェクタから前記第２の混合ガスを前記燃料電池スタックの各燃料極に供給してもよい。 In the fuel cell system of the present disclosure, the control unit switches from the first ejector to the second ejector when the temperature of the fuel gas detected by the temperature detection unit falls below a predetermined threshold value. The second mixed gas may be supplied from the second ejector to each fuel electrode of the fuel cell stack.
本開示の燃料電池システムにおいて、前記制御部は、前記温度検出部が検出した前記燃料ガスの温度が所定の前記閾値以上である場合に、前記第１のエジェクタから前記第１の混合ガスを前記燃料電池スタックの各燃料極に供給してもよい。 In the fuel cell system of the present disclosure, the control unit uses the first mixed gas from the first ejector when the temperature of the fuel gas detected by the temperature detection unit is equal to or higher than a predetermined threshold value. It may be supplied to each fuel electrode of the fuel cell stack.
本開示の燃料電池システムによれば、結露水の発生を抑制し、当該結露水が燃料電池スタックに流入することを抑制することができるため、燃料電池スタックの発電性能の低下を抑制することができる。 According to the fuel cell system of the present disclosure, it is possible to suppress the generation of dew condensation water and prevent the dew condensation water from flowing into the fuel cell stack, so that it is possible to suppress the deterioration of the power generation performance of the fuel cell stack. can.
本開示においては、燃料電池スタックと、
エジェクタ集合部と、
前記エジェクタ集合部に燃料ガスを供給する燃料ガス供給部と、
前記燃料電池スタックから排出された燃料オフガスを回収し、循環ガスとして前記エジェクタ集合部に戻す循環流路と、
前記エジェクタ集合部と前記燃料電池スタックを接続し、前記燃料ガスと前記循環ガスとを含む混合ガスの前記エジェクタ集合部から前記燃料電池スタックの各燃料極への供給を可能にする混合ガス供給流路と、
前記燃料ガスの温度を検出する温度検出部と、
制御部と、を有し、
前記エジェクタ集合部は、第１の混合ガスを前記燃料電池スタックの各燃料極に供給する第１のエジェクタと、当該第１の混合ガスよりも前記循環ガスの含有割合が少ない第２の混合ガスを前記燃料電池スタックの各燃料極に供給する第２のエジェクタの少なくとも２つのエジェクタを並列に有し、
前記制御部は、前記温度検出部が検出した前記燃料ガスの温度が所定の閾値を下回る場合に、前記エジェクタ集合部中の各エジェクタの使用比率の合計を１００％としたとき、前記第２のエジェクタの使用比率を前記第１のエジェクタの使用比率よりも大きくすることを特徴とする燃料電池システムを提供する。
In this disclosure, the fuel cell stack and
Ejector assembly and
A fuel gas supply unit that supplies fuel gas to the ejector assembly unit and
A circulation flow path that collects the fuel off gas discharged from the fuel cell stack and returns it as a circulating gas to the ejector collecting portion.
A mixed gas supply flow that connects the ejector collecting portion and the fuel cell stack and enables supply of a mixed gas containing the fuel gas and the circulating gas from the ejector collecting portion to each fuel electrode of the fuel cell stack. Road and
A temperature detection unit that detects the temperature of the fuel gas,
Has a control unit,
The ejector collecting portion includes a first ejector that supplies a first mixed gas to each fuel electrode of the fuel cell stack, and a second mixed gas that contains a smaller amount of the circulating gas than the first mixed gas. Has at least two ejectors of the second ejector in parallel to supply each fuel electrode of the fuel cell stack.
When the temperature of the fuel gas detected by the temperature detection unit falls below a predetermined threshold value, the control unit uses the second ejector when the total usage ratio of each ejector in the ejector assembly unit is 100%. Provided is a fuel cell system characterized in that the usage ratio of the ejector is made larger than the usage ratio of the first ejector.
図１は、本開示の燃料電池システムの構成の一例を示す図である。
図１に示す燃料電池システム１００は、燃料電池スタック１１と、燃料ガス供給部１２と、混合ガス供給流路１３と、燃料電池スタック１１の各燃料極から排出される燃料オフガスを循環ガスとして循環させる循環流路１４と、燃料ガスの温度を検出する温度検出部１５と、燃料ガスと循環ガスの混合ガスを燃料電池スタック１１の各燃料極に供給するエジェクタ集合部１６と、制御部１７と、燃料ガス供給流路１８と、酸化剤ガス供給部２１と、酸化剤ガス供給流路２２と、酸化剤ガス排出流路２３と、を備える。
FIG. 1 is a diagram showing an example of the configuration of the fuel cell system of the present disclosure.
The
本開示の燃料電池システムは、少なくとも燃料電池スタックと、燃料ガス供給部と、混合ガス供給流路と、循環流路と、温度検出部と、エジェクタ集合部と、制御部と、を備え、通常さらに、燃料ガス供給流路と、酸化剤ガス供給部と、酸化剤ガス供給流路と、酸化剤ガス排出流路と、冷却水供給部と、冷却水循環流路等を備える。 The fuel cell system of the present disclosure includes at least a fuel cell stack, a fuel gas supply unit, a mixed gas supply flow path, a circulation flow path, a temperature detection unit, an ejector assembly unit, and a control unit. Further, it includes a fuel gas supply flow path, an oxidant gas supply section, an oxidant gas supply flow path, an oxidant gas discharge flow path, a cooling water supply section, a cooling water circulation flow path, and the like.
燃料電池スタックは、燃料電池の単セルを複数積層して構成される。
単セルの積層数は特に限定されず、例えば、２〜２００個であってもよい。
燃料電池スタックは、単セルの積層方向の両端にエンドプレートを備えていてもよい。
燃料電池の単セルは、少なくとも酸化剤極、電解質膜、及び、燃料極を含む膜電極接合体を備え、必要に応じて当該膜電極接合体の両面を挟持する２枚のセパレータを備えてもよい。
The fuel cell stack is formed by stacking a plurality of single cells of a fuel cell.
The number of stacked single cells is not particularly limited, and may be, for example, 2 to 200.
The fuel cell stack may include end plates at both ends in the stacking direction of the single cell.
A single cell of a fuel cell may include at least a membrane electrode assembly containing an oxidant electrode, an electrolyte membrane, and a fuel electrode, and optionally two separators sandwiching both sides of the membrane electrode assembly. good.
セパレータは、ガス拡散層に接する面に反応ガスの流路としての溝が形成されたガス流路構造を有していてもよい。また、セパレータは、ガス拡散層に接する面とは反対側の面にスタック温度を一定に保つための冷却水の流路としての溝が形成された冷却水流路構造を有していてもよい。
セパレータは、ガス不透過の導電性部材等であってもよい。導電性部材としては、例えば、カーボンを圧縮してガス不透過とした緻密質カーボン、及び、プレス成形した金属板等であってもよい。また、セパレータが集電機能を備えるものであってもよい。
The separator may have a gas flow path structure in which a groove as a flow path for the reaction gas is formed on the surface in contact with the gas diffusion layer. Further, the separator may have a cooling water flow path structure in which a groove is formed as a flow path of the cooling water for keeping the stack temperature constant on the surface opposite to the surface in contact with the gas diffusion layer.
The separator may be a gas-impermeable conductive member or the like. The conductive member may be, for example, dense carbon obtained by compressing carbon to make it impermeable to gas, a press-molded metal plate, or the like. Further, the separator may have a current collecting function.
酸化剤極は、酸化剤極触媒層及びガス拡散層を含む。
燃料極は、燃料極触媒層及びガス拡散層を含む。
酸化剤極触媒層及び燃料極触媒層は、例えば、電気化学反応を促進する触媒金属、プロトン伝導性を有する電解質、及び、電子伝導性を有するカーボン粒子等を備えていてもよい。
触媒金属としては、例えば、白金（Ｐｔ）、及び、Ｐｔと他の金属とから成る合金（例えばコバルト、及び、ニッケル等を混合したＰｔ合金）等を用いることができる。
電解質としては、フッ素系樹脂等であってもよい。フッ素系樹脂としては、例えば、ナフィオン溶液等を用いてもよい。
上記触媒金属はカーボン粒子上に担持されており、各触媒層では、触媒金属を担持したカーボン粒子（触媒粒子）と電解質とが混在していてもよい。
触媒金属を担持するためのカーボン粒子（担持用カーボン粒子）は、例えば、一般に市販されているカーボン粒子（カーボン粉末）を加熱処理することにより自身の撥水性が高められた撥水化カーボン粒子等を用いてもよい。
The oxidant electrode includes an oxidant electrode catalyst layer and a gas diffusion layer.
The fuel electrode includes a fuel electrode catalyst layer and a gas diffusion layer.
The oxidant electrode catalyst layer and the fuel electrode catalyst layer may include, for example, a catalyst metal that promotes an electrochemical reaction, an electrolyte having proton conductivity, carbon particles having electron conductivity, and the like.
As the catalyst metal, for example, platinum (Pt) and an alloy composed of Pt and another metal (for example, a Pt alloy in which cobalt, nickel, etc. are mixed) can be used.
The electrolyte may be a fluororesin or the like. As the fluororesin, for example, a Nafion solution or the like may be used.
The catalyst metal is supported on carbon particles, and carbon particles (catalyst particles) carrying the catalyst metal and an electrolyte may be mixed in each catalyst layer.
The carbon particles for supporting the catalyst metal (supporting carbon particles) include, for example, water-repellent carbon particles whose water repellency is enhanced by heat-treating commercially available carbon particles (carbon powder). May be used.
ガス拡散層は、ガス透過性を有する導電性部材等であってもよい。
導電性部材としては、例えば、カーボンクロス、及びカーボンペーパー等のカーボン多孔質体、並びに、金属メッシュ、及び、発泡金属などの金属多孔質体等が挙げられる。
The gas diffusion layer may be a conductive member or the like having gas permeability.
Examples of the conductive member include a carbon porous body such as carbon cloth and carbon paper, a metal mesh, and a metal porous body such as foamed metal.
電解質膜は、固体高分子電解質膜であってもよい。固体高分子電解質膜としては、例えば、水分が含まれたパーフルオロスルホン酸の薄膜等のフッ素系電解質膜、及び、炭化水素系電解質膜等が挙げられる。電解質膜としては、例えば、ナフィオン膜（デュポン社製）等であってもよい。 The electrolyte membrane may be a solid polyelectrolyte membrane. Examples of the solid polymer electrolyte membrane include a fluorine-based electrolyte membrane such as a thin film of perfluorosulfonic acid containing water, a hydrocarbon-based electrolyte membrane, and the like. The electrolyte membrane may be, for example, a Nafion membrane (manufactured by DuPont) or the like.
燃料ガス供給部は、エジェクタ集合部に燃料ガスを供給する。
燃料ガスは、主に水素を含有するガスであり、例えば、水素ガスであってもよい。
燃料ガス供給部としては、例えば、燃料タンク等が挙げられ、具体的には、液体水素タンク、圧縮水素タンク等が挙げられる。
The fuel gas supply unit supplies fuel gas to the ejector assembly unit.
The fuel gas is a gas mainly containing hydrogen, and may be, for example, hydrogen gas.
Examples of the fuel gas supply unit include a fuel tank and the like, and specific examples thereof include a liquid hydrogen tank and a compressed hydrogen tank.
燃料電池システムは、燃料ガス供給流路を備えていてもよい。
燃料ガス供給流路は、燃料ガス供給部とエジェクタ集合部を接続し、燃料ガスの燃料ガス供給部からのエジェクタ集合部への供給を可能にする。なお、燃料ガス供給部とエジェクタ集合部が隣接して配置され、燃料ガス供給部からエジェクタ集合部へ直接、燃料ガスを供給できる場合は、燃料ガス供給流路は、必ずしも必要ではない。
The fuel cell system may include a fuel gas supply channel.
The fuel gas supply flow path connects the fuel gas supply unit and the ejector assembly unit, and enables the fuel gas to be supplied from the fuel gas supply unit to the ejector assembly unit. If the fuel gas supply unit and the ejector assembly unit are arranged adjacent to each other and the fuel gas can be directly supplied from the fuel gas supply unit to the ejector assembly unit, the fuel gas supply flow path is not always necessary.
循環流路は、燃料電池スタックとエジェクタ集合部を接続し、燃料電池スタックの各燃料極から排出された燃料オフガスを回収し、循環ガスとしてエジェクタ集合部に戻すことを可能にする。
燃料オフガスは、主に、燃料極において未反応のまま通過した燃料ガスと、酸化剤極で生成した生成水が燃料極に到達した水分と、を含む。
The circulation flow path connects the fuel cell stack and the ejector assembly, and makes it possible to recover the fuel off gas discharged from each fuel electrode of the fuel cell stack and return it to the ejector assembly as circulating gas.
The fuel off gas mainly includes a fuel gas that has passed unreacted at the fuel electrode and a water content that the generated water generated at the oxidant electrode has reached the fuel electrode.
エジェクタ集合部は、燃料ガスと循環ガスとを含む混合ガスを燃料電池スタックの各燃料極に供給する。
エジェクタ集合部は第１のエジェクタと、第２のエジェクタの少なくとも２つのエジェクタを並列に有する。
第１のエジェクタは、第１の混合ガスを燃料電池スタックの各燃料極に供給する。
第２のエジェクタは、第１の混合ガスよりも循環ガスの含有割合が少ない第２の混合ガスを燃料電池スタックの各燃料極に供給する。
エジェクタ集合部は、燃料ガスの燃費を向上させる観点及び燃料電池スタックの発電性能の低下を抑制する観点から、第１のエジェクタ及び第２のエジェクタの他に複数のエジェクタを有していてもよい。例えば、第２の混合ガスよりも循環ガスの含有割合が少ない第３の混合ガスを燃料電池スタックの各燃料極に供給する第３のエジェクタを第１のエジェクタ及び第２のエジェクタと並列に有していてもよい。
第１の混合ガスは、第２の混合ガスよりも、例えば、循環ガスの含有割合が２〜１０倍多くてもよく、３〜４倍多くてもよい。
エジェクタ集合部中の各エジェクタは制御部と電気的に接続され、制御部からの信号により各エジェクタの併用又はエジェクタ集合部中のいずれか一つのエジェクタの単独での使用が可能となっていてもよい。
The ejector assembly unit supplies a mixed gas containing a fuel gas and a circulating gas to each fuel electrode of the fuel cell stack.
The ejector assembly portion has at least two ejectors of the first ejector and the second ejector in parallel.
The first ejector supplies the first mixed gas to each fuel electrode of the fuel cell stack.
The second ejector supplies each fuel electrode of the fuel cell stack with a second mixed gas having a lower content of circulating gas than the first mixed gas.
The ejector collecting unit may have a plurality of ejectors in addition to the first ejector and the second ejector from the viewpoint of improving the fuel efficiency of the fuel gas and suppressing the deterioration of the power generation performance of the fuel cell stack. .. For example, a third ejector that supplies a third mixed gas having a lower circulating gas content than the second mixed gas to each fuel electrode of the fuel cell stack is provided in parallel with the first ejector and the second ejector. You may be doing it.
The first mixed gas may contain, for example, a circulating gas content of 2 to 10 times higher or 3 to 4 times higher than that of the second mixed gas.
Each ejector in the ejector assembly is electrically connected to the control unit, and even if each ejector can be used together or one of the ejectors in the ejector assembly can be used alone by a signal from the control unit. good.
混合ガス供給流路は、エジェクタ集合部と燃料電池スタックを接続し、燃料ガスと循環ガスとを含む混合ガスのエジェクタ集合部から燃料電池スタックの各燃料極への供給を可能にする。 The mixed gas supply flow path connects the ejector collecting portion and the fuel cell stack, and enables supply of the mixed gas containing the fuel gas and the circulating gas from the ejector collecting portion to each fuel electrode of the fuel cell stack.
燃料電池システムは、燃料オフガス排出部を備えていてもよい。
燃料オフガス排出部は、燃料ガスの濃度が所定の濃度以下である燃料オフガスを外部に排出することを可能にする。なお、外部とは、燃料電池システムの外部を意味する。
燃料オフガス排出部は、燃料オフガス排出弁を備えていてもよく、必要に応じ、燃料オフガス排出流路をさらに備えていてもよい。
燃料オフガス排出弁は、燃料オフガスの排出流量を調整する。
燃料オフガス排出流路は、循環流路から分岐されていてもよい。
燃料オフガス排出部は、例えば、燃料オフガス中の水素等の燃料ガスの濃度が所定の濃度以下である場合に当該燃料オフガスを外部に排出可能にしてもよい。なお、燃料ガスの所定の濃度は特に限定されず、例えば、燃料電池システムの燃費等を考慮して適宜設定してもよい。
燃料オフガス中の燃料ガスの濃度の検出方法は特に限定されず、例えば、従来公知の濃度センサ等を用いることができる。
The fuel cell system may include a fuel off-gas discharge section.
The fuel off gas discharge unit makes it possible to discharge the fuel off gas having a fuel gas concentration of a predetermined concentration or less to the outside. The outside means the outside of the fuel cell system.
The fuel off-gas discharge unit may be provided with a fuel-off gas discharge valve, and may further include a fuel-off gas discharge flow path, if necessary.
The fuel off gas discharge valve regulates the fuel off gas discharge flow rate.
The fuel off-gas discharge flow path may be branched from the circulation flow path.
The fuel off-gas discharge unit may be capable of discharging the fuel-off gas to the outside when, for example, the concentration of the fuel gas such as hydrogen in the fuel-off gas is equal to or less than a predetermined concentration. The predetermined concentration of the fuel gas is not particularly limited, and may be appropriately set in consideration of, for example, the fuel efficiency of the fuel cell system.
The method for detecting the concentration of the fuel gas in the fuel off gas is not particularly limited, and for example, a conventionally known concentration sensor or the like can be used.
循環流路には、燃料オフガス中の水分を低減するための気液分離器が設けられていてもよい。そして、気液分離器によって循環流路から分岐される排水流路及び、当該排水流路上に排水弁が備えられていてもよい。
気液分離器において、燃料オフガス中から分離された水分は、循環流路から分岐される排水流路に設けられた排水弁の開放によって排出してもよい。
一方、水分が分離された燃料オフガスは、若干残留したミストを含んだ状態で、循環流路からエジェクタに吸引されてもよい。
The circulation flow path may be provided with a gas-liquid separator for reducing the water content in the fuel off gas. Then, a drainage flow path branched from the circulation flow path by the gas-liquid separator and a drainage valve may be provided on the drainage flow path.
In the gas-liquid separator, the water separated from the fuel off gas may be discharged by opening the drain valve provided in the drain flow path branched from the circulation flow path.
On the other hand, the fuel off gas from which the water is separated may be sucked into the ejector from the circulation flow path in a state containing a small amount of residual mist.
温度検出部は、燃料ガス供給部から放出される燃料ガスの温度を検出する。
温度検出部としては、特に限定されず、温度センサ等が挙げられる。
温度検出部は、燃料ガス供給部としての燃料タンクに内蔵されている温度センサ等であってもよい。
The temperature detection unit detects the temperature of the fuel gas released from the fuel gas supply unit.
The temperature detection unit is not particularly limited, and examples thereof include a temperature sensor and the like.
The temperature detection unit may be a temperature sensor or the like built in the fuel tank as the fuel gas supply unit.
酸化剤ガス供給部は、少なくとも燃料電池スタックの各酸化剤極に酸化剤ガスを供給する。
酸化剤ガス供給部としては、例えば、エアコンプレッサー等を用いることができる。
酸化剤ガス供給流路は、酸化剤ガス供給部と燃料電池スタックを接続し、酸化剤ガス供給部から燃料電池スタックの各酸化剤極への酸化剤ガスの供給を可能にする。
酸化剤ガスは、酸素含有ガスであり、空気、乾燥空気、及び、純酸素等であってもよい。
酸化剤ガス排出流路は、燃料電池スタックの各酸化剤極からの酸化剤ガスの排出を可能にする。
The oxidant gas supply unit supplies oxidant gas to at least each oxidant electrode of the fuel cell stack.
As the oxidant gas supply unit, for example, an air compressor or the like can be used.
The oxidant gas supply channel connects the oxidant gas supply unit and the fuel cell stack, and enables the oxidant gas to be supplied from the oxidant gas supply unit to each oxidant electrode of the fuel cell stack.
The oxidant gas is an oxygen-containing gas, and may be air, dry air, pure oxygen, or the like.
The oxidant gas discharge channel allows the oxidant gas to be discharged from each oxidant electrode of the fuel cell stack.
燃料電池システムは、冷却水供給部、及び、冷却水循環流路を備えていてもよい。
冷却水循環流路は、燃料電池スタックに設けられる冷却水入口連通孔及び冷却水出口連通孔に連通し、冷却水供給部から供給される冷却水を燃料電池スタック内外で循環させ、燃料電池スタックの冷却を可能にする。
冷却水供給部は、例えば、冷却水ポンプ等が挙げられる。
The fuel cell system may include a cooling water supply unit and a cooling water circulation flow path.
The cooling water circulation flow path communicates with the cooling water inlet communication hole and the cooling water outlet communication hole provided in the fuel cell stack, and circulates the cooling water supplied from the cooling water supply unit inside and outside the fuel cell stack to form the fuel cell stack. Allows cooling.
Examples of the cooling water supply unit include a cooling water pump and the like.
制御部は、燃料電池システムの制御を行う。
制御部は、温度検出部、エジェクタ集合部、燃料ガス供給部、及び、酸化剤ガス供給部等と入出力インターフェースを介して接続されていてもよい。
制御部は、温度検出部が検出した燃料ガスの温度が所定の閾値を下回るか否かの判断、及び、エジェクタ集合部中の各エジェクタの使用比率の調整等を行う。
制御部は、物理的には、例えば、ＣＰＵ（中央演算処理装置）等の演算処理装置と、ＣＰＵで処理される制御プログラム及び制御データ等を記憶するＲＯＭ（リードオンリーメモリー）、並びに、主として制御処理のための各種作業領域として使用されるＲＡＭ（ランダムアクセスメモリー）等の記憶装置と、入出力インターフェースとを有するものである。
The control unit controls the fuel cell system.
The control unit may be connected to the temperature detection unit, the ejector assembly unit, the fuel gas supply unit, the oxidant gas supply unit, and the like via an input / output interface.
The control unit determines whether or not the temperature of the fuel gas detected by the temperature detection unit falls below a predetermined threshold value, adjusts the usage ratio of each ejector in the ejector assembly unit, and the like.
The control unit physically includes, for example, an arithmetic processing unit such as a CPU (central processing unit), a ROM (read-only memory) that stores control programs and control data processed by the CPU, and mainly controls. It has a storage device such as a RAM (random access memory) used as various work areas for processing, and an input / output interface.
（１）燃料ガスの温度の検出
温度検出部は所定の時間毎に燃料ガス供給部から供給される燃料ガスの温度を検出する。
燃料ガスの温度を検出する方法は、特に限定されず、例えば、従来公知の温度センサを燃料電池システム内に設置し、温度センサを用いて当該燃料ガスの温度を検出してもよい。
また、温度センサは、例えば、燃料タンクに予め内蔵されているものを用いてもよい。
燃料ガスの温度を検出するタイミングは特に限定されず、燃料電池スタックの運転開始時から所定の時間経過毎に行ってもよいし、燃料電池スタックの運転開始時にも行ってもよく、常時燃料ガスの温度を検出してもよく、適宜検出時期を設定することができる。
(1) Detection of fuel gas temperature The temperature detection unit detects the temperature of the fuel gas supplied from the fuel gas supply unit at predetermined time intervals.
The method for detecting the temperature of the fuel gas is not particularly limited, and for example, a conventionally known temperature sensor may be installed in the fuel cell system, and the temperature sensor may be used to detect the temperature of the fuel gas.
Further, as the temperature sensor, for example, one built in the fuel tank in advance may be used.
The timing for detecting the temperature of the fuel gas is not particularly limited, and it may be performed at predetermined time intervals from the start of operation of the fuel cell stack, or it may be performed at the start of operation of the fuel cell stack, and the fuel gas is always detected. The temperature may be detected, and the detection time can be set as appropriate.
（２）燃料ガスの温度が所定の閾値を下回るか否かの判断
制御部は、温度検出部が検出した燃料ガスの温度が所定の閾値を下回るか否か判断する。
燃料ガスの温度の閾値は、例えば、予め実験等で燃料ガスの温度と燃料電池スタックの発電性能との相関関係を示すデータ群を用意し、そのデータ群から燃料電池スタックの性能等により適宜設定することができる。
(2) Judgment of whether or not the temperature of the fuel gas is below a predetermined threshold value The control unit determines whether or not the temperature of the fuel gas detected by the temperature detection unit is below a predetermined threshold value.
For example, the threshold value of the fuel gas temperature is set appropriately according to the performance of the fuel cell stack, etc. by preparing a data group showing the correlation between the fuel gas temperature and the power generation performance of the fuel cell stack in advance in an experiment or the like. can do.
（３）各エジェクタの使用比率の調整
各エジェクタの使用比率の調整方法は、特に限定されず、制御部と各エジェクタが電気的に接続され、制御部が各エジェクタに信号を送ることで調整してもよい。
各エジェクタの使用比率は、例えば、予め実験等で燃料電池スタックの発電性能と各エジェクタの使用比率との相関関係を示すデータ群を用意し、そのデータ群から適宜設定することができる。
(3) Adjustment of the usage ratio of each ejector The method of adjusting the usage ratio of each ejector is not particularly limited, and the control unit and each ejector are electrically connected, and the control unit adjusts by sending a signal to each ejector. You may.
The usage ratio of each ejector can be appropriately set from, for example, a data group showing the correlation between the power generation performance of the fuel cell stack and the usage ratio of each ejector is prepared in advance in an experiment or the like.
（３−１）燃料ガスの温度が所定の閾値を下回る場合
制御部は、温度検出部が検出した燃料ガスの温度が所定の閾値を下回る場合には、エジェクタ集合部中の各エジェクタの使用比率の合計を１００％としたとき、第２のエジェクタの使用比率を第１のエジェクタの使用比率よりも大きくし、制御を終了する。これにより、燃料ガス供給部から放出される燃料ガスの温度が低温であっても、燃料電池スタックの各燃料極に供給される混合ガス中に含まれる水分を含む循環ガスの割合を少なくすることができるため、例えば、エジェクタ集合部出口での結露水の発生を抑制することができる。そして、燃料電池スタックに流入する結露水の量を低減することができ、燃料電池スタックの発電性能の低下を抑制することができる。
燃料ガスの温度が所定の閾値を下回る場合のエジェクタ集合部中の各エジェクタの使用比率は、各エジェクタの使用比率の合計を１００％としたとき、第２のエジェクタの使用比率が第１のエジェクタの使用比率よりも大きければ、特に限定されないが、燃料電池スタックの発電性能の低下をより抑制する観点から、第２のエジェクタの使用比率を１００％としてもよい。換言すると、制御部は、温度検出部が検出した燃料ガスの温度が所定の閾値を下回る場合には、第１のエジェクタから第２のエジェクタに切り替えて、第２のエジェクタから第２の混合ガスを燃料電池スタックの各燃料極に供給してもよい。
(3-1) When the temperature of the fuel gas falls below a predetermined threshold The control unit uses the ratio of each ejector in the ejector collecting unit when the temperature of the fuel gas detected by the temperature detection unit falls below the predetermined threshold. When the total of is 100%, the usage ratio of the second ejector is made larger than the usage ratio of the first ejector, and the control is terminated. As a result, even if the temperature of the fuel gas released from the fuel gas supply unit is low, the proportion of circulating gas containing water contained in the mixed gas supplied to each fuel electrode of the fuel cell stack can be reduced. Therefore, for example, it is possible to suppress the generation of dew condensation water at the outlet of the ejector collecting portion. Then, the amount of dew condensation water flowing into the fuel cell stack can be reduced, and the deterioration of the power generation performance of the fuel cell stack can be suppressed.
When the temperature of the fuel gas falls below a predetermined threshold value, the usage ratio of each ejector in the ejector assembly is 100% when the total usage ratio of each ejector is 100%, and the usage ratio of the second ejector is the first ejector. The usage ratio of the second ejector may be 100% from the viewpoint of further suppressing the deterioration of the power generation performance of the fuel cell stack, although it is not particularly limited as long as it is larger than the usage ratio of. In other words, when the temperature of the fuel gas detected by the temperature detection unit falls below a predetermined threshold value, the control unit switches from the first ejector to the second ejector, and the second ejector to the second mixed gas. May be supplied to each fuel electrode of the fuel cell stack.
（３−２）燃料ガスの温度が所定の閾値以上である場合
一方、制御部は、温度検出部が検出した燃料ガスの温度が所定の閾値以上である場合は、エジェクタ集合部中の各エジェクタの使用比率の合計を１００％としたとき、第１のエジェクタの使用比率を第２のエジェクタの使用比率よりも大きくし、制御を終了する。なお、燃料電池スタックの運転開始時、及び、通常運転時等は、燃費を向上させる観点から、エジェクタ集合部中の各エジェクタの使用比率の合計を１００％としたとき、第１のエジェクタの使用比率を第２のエジェクタの使用比率よりも大きくする。そのため、制御部は、燃料ガスの温度が所定の閾値以上である場合、且つ、エジェクタ集合部中の各エジェクタの使用比率の合計を１００％としたとき、第１のエジェクタの使用比率を第２のエジェクタの使用比率よりも大きい場合は、制御を終了してもよい。
燃料ガスの温度が所定の閾値以上である場合は、燃料電池スタックの各燃料極に供給される混合ガス中に含まれる水分を含む循環ガスの割合を多くしても、燃料電池スタックに結露水が流入する可能性が低い。そのため、循環ガスの循環効率を上昇させ、燃費を向上させることができる。
燃料ガスの温度が所定の閾値以上である場合のエジェクタ集合部中の各エジェクタの使用比率は、各エジェクタの使用比率の合計を１００％としたとき、第１のエジェクタの使用比率が第２のエジェクタの使用比率よりも大きければ、特に限定されないが、燃料電池スタックの燃費をより向上させる観点から、第１のエジェクタの使用比率を１００％としてもよい。換言すると、制御部は、温度検出部が検出した燃料ガスの温度が所定の閾値以上である場合には、第２のエジェクタから第１のエジェクタに切り替えて、第１のエジェクタから第１の混合ガスを燃料電池スタックの各燃料極に供給してもよい。
(3-2) When the temperature of the fuel gas is equal to or higher than a predetermined threshold On the other hand, when the temperature of the fuel gas detected by the temperature detection unit is equal to or higher than the predetermined threshold, each ejector in the ejector collecting section When the total usage ratio of the above is 100%, the usage ratio of the first ejector is made larger than the usage ratio of the second ejector, and the control is terminated. At the start of operation of the fuel cell stack and during normal operation, the first ejector is used when the total usage ratio of each ejector in the ejector assembly is 100% from the viewpoint of improving fuel efficiency. Make the ratio larger than the usage ratio of the second ejector. Therefore, when the temperature of the fuel gas is equal to or higher than a predetermined threshold value and the total usage ratio of each ejector in the ejector collecting portion is 100%, the control unit sets the usage ratio of the first ejector to the second. If it is larger than the usage ratio of the ejector of, the control may be terminated.
When the temperature of the fuel gas is equal to or higher than a predetermined threshold value, even if the proportion of circulating gas containing water contained in the mixed gas supplied to each fuel electrode of the fuel cell stack is increased, dew condensation water is formed on the fuel cell stack. Is unlikely to flow in. Therefore, the circulation efficiency of the circulating gas can be increased and the fuel efficiency can be improved.
When the temperature of the fuel gas is equal to or higher than a predetermined threshold value, the usage ratio of each ejector in the ejector gathering portion is such that the usage ratio of the first ejector is the second when the total usage ratio of each ejector is 100%. The usage ratio of the first ejector may be 100% from the viewpoint of further improving the fuel efficiency of the fuel cell stack, although it is not particularly limited as long as it is larger than the usage ratio of the ejector. In other words, when the temperature of the fuel gas detected by the temperature detection unit is equal to or higher than a predetermined threshold value, the control unit switches from the second ejector to the first ejector, and mixes the first ejector to the first ejector. Gas may be supplied to each fuel electrode of the fuel cell stack.
図２は、本開示の燃料電池システムの制御方法の一例を示すフローチャートである。なお、本開示は、必ずしも本典型例のみに限定されるものではない。
図２に示す制御方法では、まず制御部は、燃料電池スタックの運転開始時又は通常運転時には、第１のエジェクタを用いて燃料電池スタックの各燃料極に第１の混合ガスを供給する。
その後、温度検出部は、燃料ガスの温度を検出する。
そして、制御部は、検出した燃料ガスの温度が所定の閾値以上である場合は制御を終了する。
一方、制御部は、当該閾値を下回る場合には、第１のエジェクタから第２のエジェクタに切り替えて第２の混合ガスを燃料電池スタックの各燃料極に供給し、制御を終了する。
FIG. 2 is a flowchart showing an example of the control method of the fuel cell system of the present disclosure. The present disclosure is not necessarily limited to this typical example.
In the control method shown in FIG. 2, the control unit first supplies the first mixed gas to each fuel electrode of the fuel cell stack by using the first ejector at the start of operation or the normal operation of the fuel cell stack.
After that, the temperature detection unit detects the temperature of the fuel gas.
Then, when the temperature of the detected fuel gas is equal to or higher than a predetermined threshold value, the control unit ends the control.
On the other hand, when the value falls below the threshold value, the control unit switches from the first ejector to the second ejector to supply the second mixed gas to each fuel electrode of the fuel cell stack, and ends the control.
１１ 燃料電池スタック
１２ 燃料ガス供給部
１３ 混合ガス供給流路
１４ 循環流路
１５ 温度検出部
１６ エジェクタ集合部
１７ 制御部
１８ 燃料ガス供給流路
２１ 酸化剤ガス供給部
２２ 酸化剤ガス供給流路
２３ 酸化剤ガス排出流路
１００ 燃料電池システム
11
Claims (4)
エジェクタ集合部と、
前記エジェクタ集合部に燃料ガスを供給する燃料ガス供給部と、
前記燃料電池スタックから排出された燃料オフガスを回収し、循環ガスとして前記エジェクタ集合部に戻す循環流路と、
前記エジェクタ集合部と前記燃料電池スタックを接続し、前記燃料ガスと前記循環ガスとを含む混合ガスの前記エジェクタ集合部から前記燃料電池スタックの各燃料極への供給を可能にする混合ガス供給流路と、
前記燃料ガスの温度を検出する温度検出部と、
制御部と、を有し、
前記エジェクタ集合部は、第１の混合ガスを前記燃料電池スタックの各燃料極に供給する第１のエジェクタと、当該第１の混合ガスよりも前記循環ガスの含有割合が少ない第２の混合ガスを前記燃料電池スタックの各燃料極に供給する第２のエジェクタの少なくとも２つのエジェクタを並列に有し、
前記制御部は、前記温度検出部が検出した前記燃料ガスの温度が所定の閾値を下回る場合に、前記エジェクタ集合部中の各エジェクタの使用比率の合計を１００％としたとき、前記第２のエジェクタの使用比率を前記第１のエジェクタの使用比率よりも大きくすることを特徴とする燃料電池システム。 With the fuel cell stack,
Ejector assembly and
A fuel gas supply unit that supplies fuel gas to the ejector assembly unit and
A circulation flow path that collects the fuel off gas discharged from the fuel cell stack and returns it as a circulating gas to the ejector collecting portion.
A mixed gas supply flow that connects the ejector collecting portion and the fuel cell stack and enables supply of a mixed gas containing the fuel gas and the circulating gas from the ejector collecting portion to each fuel electrode of the fuel cell stack. Road and
A temperature detection unit that detects the temperature of the fuel gas,
Has a control unit,
The ejector collecting portion includes a first ejector that supplies a first mixed gas to each fuel electrode of the fuel cell stack, and a second mixed gas that contains a smaller amount of the circulating gas than the first mixed gas. Has at least two ejectors of the second ejector in parallel to supply each fuel electrode of the fuel cell stack.
When the temperature of the fuel gas detected by the temperature detection unit falls below a predetermined threshold value, the control unit uses the second ejector when the total usage ratio of each ejector in the ejector assembly unit is 100%. A fuel cell system characterized in that the usage ratio of the ejector is made larger than the usage ratio of the first ejector.
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